本书全面地论述了半导体物理的基础知识,内容包括半导体的晶格结构、半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布,非平衡载流子及载流子的运动规律;讨论了p—n结、异质结、金属半导体接触、表面及MIS结构等半导体表面和界面问题;介绍了半导体的光、热、磁、压阻等物理现象;*后较全面地介绍了非晶态半导体的基本特性。
本书为高等学校工科电子类半导体器件与微电子学专业教材,亦可供从事半导体方面工作的技术人员阅读参考。

**章 半导体中的电子状态
半导体具有许多独特的物理性质,这与半导体中电子的状态及其运动特点有密切关系。为了研究和利用半导体的这些物理性质,本章将简要介绍半导体单晶材料中的电子状态及其运动规律。
半导体单晶材料和其它固态晶体一样,是由大量原子周期性重复排列而成,而每个原子又包含原子核和许多电子。如果能够写出半导体中所有相互作用着的原子核和电子系统的薛定谔方程,并求出其解,便可以了解半导体的许多物理性质。但是,这是一个非常复杂的多体问题,不可能求出其严格解,只能用近似的处理方法——单电子近似来研究固态晶体中电子的能量状态。所谓单电子近似,即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动。该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。有关能带论的内容在固体物理学课程中已经比较完整地介绍过了,这里仅作简要回顾,并介绍几种重要半导体材料的能带结构。
§1.1 半导体的晶格结构和结合性质
1.金刚石型结构和共价键
重要的半导体材料硅、锗等在化学元素周期表中都属于第Ⅳ族元素,原子的*外层都具有四个价电子。大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合,它们的晶格结构与碳原子组成的一种金刚石晶格一样都属于金刚石型结构。这种结构的特点是:每个原子周围都有四个*近邻的原子,组成一个正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上,任一顶角上的原子和**原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有,共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度,通过它们对原子实的引力把 两个原子结合在一起,这就是共价键。这样,每个原子和周围四个原子组成四个共价键。上述四面体四个顶角原子又可以各通过四个共价键组成四个正四面体。如此推广,将许多正四面体累积起来就得到的金刚石型结构(为看起来方便,有些原子周围只画出二个或三个共价键),它的配位数是4。 本教材系按中国电子工业总公司的工科电子类专业教材1991~1995年编审出版规划,由“电子材料与固体器件’’教材编审委员会“半导体物理与器件”编审小组征稿,**出版,责任编委李卫。
本教材由西安交通大学刘恩科担任主编,西安电子科技大学周南生担任主审。
本教材**版于1979年12月由国防工业出版社出版。第二版于1984年5月由上海科学技术出版社出版。1987年12月获电子工业部1977年~1985年工科电子类专业**教材特等奖,1988年1月获全国高等学校**教材奖。第三版于1989年5月由国防工业出版社出版,1992年1月获第二届机械电子工业部电子类专业**教材特等奖,1992年11月获第二届普通高等学校**教材全国特等奖。
本课程参考学时数为120学时。本教材共13章,其主要内容为:半导体的晶格结构和电子状态,杂质和缺陷能级,载流子的统计分布,载流子的散射及电导问题,非平衡载流子产生、复合及其运动规律,半导体的表面和界面——包括p—n结、金属半导体接触、半导体表面及MIS结构、异质结,半导体的光、热、磁、压阻等物理现象和非晶态半导体。
按照“半导体物理与器件’’编审小组的意见,本教材在第二次修订适当增加一些新内容,如四元化合物半导体的能带、半导体超晶格、二维电子气、朗道能级、磁光吸收、量子化霍耳效应、非晶态半导体的基础上,这次修订又作了如下补充:**章适当增加了Si1一xGex能带和Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体的晶格结构和能带;第五章增加了俄歇复合;第八章增加了深耗尽和二维电子气概念;第九章适当深化二维电子气内容;第十章简要介绍室温激子;第二、九章补充了思考题和习题;根据半导体研究的进展修改了一些不合适的内容,如**、四章中砷化镓导带第二极小值、第八章中硅一二氧化硅系统界面态密度分布等内容。
本教材使用时应以前九章为主。第十至十二章各校自行掌握,可以光学效应为主。非晶态半导体可视情况而定。除进行课堂讲授外,可辅以必要的习题课和课堂讨论。
本教材由刘恩科编写**、四、十一、十二章;朱秉升编写第二、三、六、九章;罗晋生编写第八、十三章;亢润民编写第五、七章;屠善洁编写第十章。附录由刘恩科、亢润民整理。
刘恩科统编全稿。第二次和这次均由刘恩科修订**、四、七、十、十一、十二章和第九章部分内容;朱秉升修订第二、三、五、六、九章;罗晋生修订第八、十三章。主审和编审小组全体委员都为本书提出许多宝贵意见,这里表示诚挚的感谢。由于编者水平有限,书中难免还存在一些缺点和错误,殷切希望广大读者批评指正。

主要参数符号表
**章 半导体中的电子状态
半导体的品格结构和结合性质
半导体中的电子状态和能带
半导体中电子的运动 有效质量
本征半导体的导电机构 空穴
回旋共振
硅和锗的能带结构
Ⅲ一V族化合物半导体的能带结构
Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体的能带结构
习题
参考资料
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
硅、锗晶体中的杂质能级
族化合物中的杂质能级
缺陷、位错能级
思考题及习题
参考资料
第三章 半导体中载流子的统计分布
状态密度
费米能级和载流子的统计分布
本征半导体的载流子浓度
杂质半导体的载流子浓度
一般情况下的载流子统计分布
简并半导体
补充材料:电子占据杂质能级的几率
习题
参考资料
第四章 半导体的导电性
载流子的漂移运动迁移率
载流子的散射
迁移率与杂质浓度和温度的关系
电阻率及其与杂质浓度和温度的关系
玻耳兹曼方程 电导率的统计理论
强电场下的效应热载流子
多能谷散射耿氏效应
习题
参考资料
第五章 非平衡载流子
非平衡载流子的注入与复合
非平衡载流子的寿命
准费米能级
复合理论
陷阱效应
载流子的扩散运动
载流子的漂移运动,爱因斯坦关系式
连续性方程式
习题
参考资料
第六章 p—n结
p—n结及其能带图
p—n结电流电压特性
p—n结电容
p—n结击穿
p—n结隧道效应
习题
参考资料
第七章 金属和半导体的接触.
金属半导体接触及其能级图
金属半导体接触整流理论
少数载流子的注入和欧姆接触
习题
参考资料
第八章 半导体表面与MIs结构
表面态
表面电场效应
MIs结构的电容一电压特性
硅一二氧化硅系统的性质
表面电导及迁移率
表面电场对p—n结特性的影响
习题
参考资料
第九章 异质结
异质结及其能带图
异质结的电流输运机构
异质结在器件中的应用
半导体超晶格
思考题及习题
参考资料
第十章 半导体的光学性质和光电与发光现象
半导体的光学常数
半导体的光吸收
半导体的光电导
半导体的光生伏**应
半导体发光
半导体激光
习题
参考资料
第十一章 半导体的热电性质
热电效应的一般描述
半导体的温差电动势率
半导体的珀耳帖效应
半导体的汤姆孙效应.
半导体的热导率
半导体热电效应的应用
习题
参考资料
第十二章 半导体磁和压阻效应
霍耳效应
磁阻效应
磁光效应
量子化霍耳效应
热磁效应
光磁电效应
压阻效应
声波和载流子的相互作用
习题
参考资料
第十三章 非晶态半导体
非晶态半导体的结构
非晶态半导体中的电子态
非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应
非晶态半导体中的电学性质
非晶态半导体中的光学性质
n—Si:H的p—n结与金一半接触特性
参考资料
附录
附录1 常用物理常数和能量表达变换表
附表1一l 常用物理常数表
附表1—2 能量表达变换表
附录2 半导体材料物理性质表
附表2—1 Ⅳ族半导体材料的性质
附表2一2 Ⅲ—V族半导体材料的性质
附表2—3 Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的性质
附表2—4 Ⅳ一Ⅵ族半导体材料的性质
附表2—5 Ⅲ—V族三元化合物半导体材料的性质
参考资料
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